Гены и хромосомы

Генетическая информация о структуре отдельных белков и нуклеиновых кислот у всех организмов заключена в молекулах ДНК или РНК в виде последовательностей нуклеотидов, называемых генами. Однако одной информации о структуре макромолекул, кодируемых генами, недостаточно для их функционирования. Координированная работа (экспрессия) большого числа генов возможна лишь благодаря наличию тонких регуляторных механизмов, определяющих место, время и уровень экспрессии конкретного гена или группы генов. Для того чтобы экспрессия гена была регулируемой, он должен содержать индивидуальную (регуляторную) метку, по которой регуляторные компоненты генетической системы клетки или организма могли бы безошибочно оказать на него необходимое воздействие. В соответствии с этим любой ген состоит из двух основных функциональных частей (последовательностей нуклеотидов) – регуляторной и структурной. Регуляторная часть обеспечивает первые этапы реализации генетической информации, заключенной в структурной части гена, которая, в свою очередь, содержит информацию о структуре конкретных белков или нуклеиновых кислот. Поэтому размер гена складывается из размеров его структурной и регуляторной частей. Однако определить протяженность гена не так просто, особенно в случае генов эукариот.

Отдельные элементы регуляторной области генов, например энхансеры, могут располагаться на значительном (> 60 т.п.о.) расстоянии от структурной части гена как перед ней, так и позади нее или даже в ней самой. В самой же структурной части большинства эукариотических генов кодирующие последовательности нуклеотидов (экзоны) перемежаются протяженными некодирующими последовательностями (интронами). Суммарный размер интронов, как правило, многократно превышает суммарный размер экзонов конкретных генов. Уже исходя из этого факта, можно сделать вывод о том, что геном любого эукариотического организма содержит не только последовательность нуклеотидов с генетической информацией о белках и нуклеиновых кислотах, но и большое количество последовательностей нуклеотидов, не несущих такой информации.

Однако помимо интронов в геноме эукариот имеется большое количество других некодирующих последовательностей нуклеотидов, главным образом различных повторяющихся последовательностей. Поэтому общая длина некодирующих последовательностей нуклеотидов в геноме эукариот в десятки раз превышает длину кодирующих последовательностей. Не вполне определенные и очень большие размеры генов эукариот, к тому же расположенных в геноме среди многочисленных некодирующих последовательностей нуклеотидов, создают значительные трудности для изучения их структуры и функционирования in vivo.

Как у прокариотических, так и у эукариотических организмов все гены располагаются группами на отдельных молекулах ДНК, которые при участии белков и других макромолекул клеток организуются в хромосомы. Зрелые клетки зародышевой линии (гаметы – яйцеклетки, спермии) многоклеточных организмов содержат по одному (гаплоидному) набору хромосом организма. У диплоидных (полиплоидных) организмов, клетки которых содержат по одному (несколько) набору хромосом каждого из родителей, одинаковые хромосомы получили название гомологичных хромосом, или гомологов. Гомологичными являются и одинаковые хромосомы разных организмов одного биологического вида. Гены и некодирующие последовательности нуклеотидов, заключенные в хромосомах ядер клеток, представляют большую часть генома организма. Кроме того, геном организма формируют и внехромосомные генетические элементы, которые во время митотического цикла воспроизводятся независимо от хромосом ядер. Так, митохондрии грибов и млекопитающих содержат менее 1% всей ДНК, тогда как у почкующихся дрожжей Sacharomyces cerevisiae митохондриальная ДНК составляет до 20% всей ДНК клетки. ДНК пластид растений (главным образом хлоропластов и митохондрий) составляет от 1 до 10% суммарного количества их ДНК.

Поскольку гены, входящие в состав отдельных хромосом, находятся в одной молекуле ДНК, они образуют отдельную группу сцепления и в отсутствие рекомбинации вместе передаются от родительских клеток к дочерним. Остаются до конца не понятыми физиологическое значение распределения генов по отдельным хромосомам и природа факторов, определяющих число хромосом в геноме эукариот. Например, невозможно объяснить эволюционные механизмы появления большого числа хромосом у конкретных организмов только ограничениями, накладываемыми на максимальный размер молекул ДНК, входящих в состав этих хромосом. Так, геном американской амфибии Amphiuma содержит в ~30 раз больше ДНК, чем геном человека, и вся ДНК заключена только в 28 хромосомах, что вполне сопоставимо с кариотипом человека (46 хромосом). Однако даже самая маленькая из этих хромосом больше самых крупных хромосом человека. Остаются неизвестными и факторы, ограничивающие верхний предел числа хромосом у эукариот. Например, у бабочки Lysandra nivescens диплоидный набор составляет 380–382 хромосомы, и нет основания считать, что это значение является максимально возможным.

По-видимому, большинство особенностей структурной и функциональной организации генома должны обеспечивать надежность его функционирования, т.е. точность передачи генетической информации от родительских клеток дочерним на протяжении многих клеточных генераций и правильную работу генов. Поэтому можно предполагать, что они имеют, прежде всего, отношение к обеспечению надежности передачи и внутриклеточной реализации генетической информации, проявляющейся в упорядоченной во времени и безошибочной экспрессии генов.